计算机断层扫描仪和运行计算机断层扫描仪的方法

技术领域

本发明涉及一种计算机断层扫描仪(CT)，其包括一个静态辐射器-检测器环、即在计算机断层扫描仪运行期间不转动的辐射器-检测器环。另外，本发明还涉及一种用于运行这样的计算机断层扫描仪的方法。

背景技术

计算机断层扫描仪原则上可以要么利用转动的辐射器-检测器-单元，要么利用固定不动设置的X射线发射器和相关的检测器工作。在WO2018/086744A2中说明了一种具有非转动式辐射器-检测器-单元的计算机断层扫描仪的可能结构。

EP1474040B1公开了一种X射线技术的成像设备，其具有一个扫描架框架，一个X射线源和相关的检测器可转动地支承在该扫描架框架中。一个扇形段可以从总体上呈环形的扫描架上取下，以便能够将需成像的对象定位在扫描架环的中心成像区域中。用于辐射源和检测器的导向设备也可以在可取下的扇形段中找到。

在US 6,113,264 A中说明了另一个X射线技术的装置，该装置具有一个总体上呈环形的辐射器-检测器系统，其具有一个为了将环打开而可移动的扇形段。在这种情况下，所述可移动的扇形段可以沿环形的辐射器-检测器系统的圆周方向移动。

文献US 7,001,045B2和EP3646793A2说明了不同结构的计算机断层扫描仪，其具有可以以多种多样的方式调节的环形辐射器-检测器组件。

例如在文献WO2010/078481A1和DE102016208123B4中说明了作为整体可移动的计算机断层扫描仪。

DE102010028438A1说明了一种构造为C型臂装置的X射线技术的仪器，该X射线技术的仪器具有碳纳米管作为电子发射器。借助于多个在空间上不同布置的X射线源能够实现在DE102010028438A1中详细说明的扫描轨迹。

发明内容

本发明的目的在于提供相对现有技术进一步发展的、利用静态辐射器-检测器环进行X射线技术成像的可能性，其中应当在不太复杂的设备结构的情况下提供良好的易操作性和出色的成像质量。

根据本发明，这个目的通过具有权利要求1的特征的计算机断层扫描仪得以实现。这个目的同样通过根据权利要求11所述的用于运行计算机断层扫描仪的方法得以实现。下面关于运行方法所阐述的本发明的构造设计和优点相应地也适用于设备、即适用于计算机断层扫描仪，反之亦然。

计算机断层扫描仪包括一个由奇数数量n的辐射器-检测器元件构成的静态辐射器-检测器环，所述辐射器-检测器元件中一个唯一的辐射器-检测器元件能够相对于其余的、共同描绘C形状的辐射器-检测器元件移动，使得打开所述辐射器-检测器环，其中每个辐射器-检测器元件都具有一个设置用于发射X射线的、在该辐射器-检测器环的圆周上在至少为0.9×360°/n的角度α上延伸的阳极系统以及一个设置用于检测X射线的、在同一个辐射器-检测器元件内在至少为0.95×360°/n的角度β上延伸的检测器，并且每个阳极系统是包括多个电子发射器的辐射器系统的一部分，在该辐射器系统中每个电子发射器设计成用于与电极系统协作在阳极系统上的至少三个可选择的位置中的一个上产生焦点。在这种情况下，可利用同一个电子发射器产生的焦点的可选择设定的位置特别是沿辐射器-检测器环的圆周方向并排布置，即，以围绕计算机断层扫描器的中轴线的不同的角度位置布置、特别是等间距地布置。通过逐级地改变电极系统的设定得以实现的在不同焦点位置之间的切换被称为Beam Toggling(光束切换)。

根据本申请的运行方法由此出发，即，使用一种计算机断层扫描仪，其包括一个非转动的辐射器-检测器环，该辐射器-检测器环由奇数数量的辐射器-检测器元件、即扇形段构成，这些扇形段中的唯一一个扇形段设计成用于打开辐射器-检测器环，其中不仅在固定的辐射器-检测器元件中，而且也在需打开的辐射器-检测器元件中设置有多个电子发射器，这些电子发射器分别设计成用于借助影响电子束的电极在配属于辐射器-检测器元件的阳极上产生具有可变位置的焦点，使得可能的焦点位置的总数相当于电子发射器的数量的多倍，并且两个沿辐射器-检测器环的圆周方向并排设置在同一个辐射器-检测器元件内的焦点位置之间的最大角度距离小于两个相邻的辐射器-检测器元件的焦点位置之间的最小角度距离。该运行方法包括以下步骤：

-将所述辐射器-检测器环围绕检查对象定位，其中首先将所述辐射器-检测器环打开，并且最迟在为了进行X射线技术检查而设置的位置中闭合，

-使从第一焦点中发出的扇形X射线束对准检查对象，其中X射线由至少两个辐射器-检测器元件的检测器检测到，

-产生第二焦点，该第二焦点在所述辐射器-检测器环的圆周上相对第一焦点偏移了第一角度差，并且不是必须紧靠第一焦点布置，

-产生另外的焦点，这些另外的焦点在所述辐射器-检测器环的圆周上分别相对前一个焦点偏移了一个角度差，其中两个依次相继的角度差之间的差值小于相邻的各辐射器-检测器元件中的焦点位置之间的最小角度距离与同一个辐射器-检测器元件内的两个相邻焦点位置之间的最大角度距离之间的差。

本发明基于以下考虑：一种具有可打开的辐射器-检测器环的计算机断层扫描仪与具有永久封闭的辐射器-检测器环的传统的计算机断层扫描仪相比在准备X光片过程中呈现出优势。例如需打开的辐射器-检测器环可以在打开的状态中从侧面被推套到一个躺着患者的台子上。尽管存在将辐射器-检测器环打开的可能性，但是通过如下方式有利于实现在同时具有大量焦点位置的情况下的节省质量的结构，即对于每个电子发射器而言可以选择地设定多个不同的焦点位置。总体上，定位在辐射器系统的圆周上的阳极占据了圆周的至少90％、即324°。由于辐射器-检测器元件的数量是奇数，所以两个辐射器-检测器元件之间的一个对接处绝不与另一个这样的对接处在直径上精确对置。若一个焦点位于一个辐射器-检测器元件的边缘区域中，就是说，接近一个对接处，那么从这个焦点发出的X射线就射到两个沿圆周方向并排设置的X射线检测器上，其中这些X射线检测器例如是光子计数检测器。特别是可以考虑使用行检测器。在这方面请参考WO 2019/057339A1。总的来说，作为X射线检测器也可以使用闪烁计数器，其可以是任何形式的。与辐射器-检测器环的阳极相比，检测器在任何情况下都在更大的角度上延伸，即在圆周的至少95％上，即在一个分布在辐射器-检测器环的各个扇形段上的、总体上至少为342°的角度上延伸。

与可能存在于相邻的各辐射器-检测器元件中的焦点位置之间的最小角度距离相比，同一个辐射器-检测器元件内的可能的各焦点位置的交错或错位程度要小得多。如果沿辐射器-检测器环的圆周方向依次选择所有可能的焦点位置的话，那么将在若干小的角度距离后通常(即在从一个辐射器-检测器元件切换到下一个辐射器-检测器元件时)在角度的调整中出现大得多的跳跃。通过根据本申请的运行方法提供了对在一个焦点位置与时间流程中下一个焦点位置之间的角度距离的均化。在这种情况下，通过不同焦点位置之间的连续切换可以描述围绕辐射器-检测器环的中轴线的多个循环(转动一圈为一个循环)，其中在多个循环之后才占据所有可能的焦点位置。特别是在每个单个的循环过程中以影响电子束的电极的相互不同的设定来产生焦点。这一点例如可以意味着：在虚拟的X射线源循环期间按下述方式设定第一电极系统，使得保留居中的中性定向的电子束，而属于另一个电子发射器的第二电极系统则确保相应的电子束与其中性定向相比偏向规定的方向，这随着焦点在辐射器-检测器环的圆周上的偏移而发生。

下面借助于简化的数例，解释在计算机断层扫描仪运行期间对X射线的角度设定进行连续调节的可能性、即不同的可能的焦点位置之间的切换的可能性：

一个辐射器-检测器环由仅仅三个分别在近120°的角度上延伸的辐射器-检测器元件构成。第一与第三辐射器-检测器元件之间的对接处在0°位置。沿辐射器-检测器环的圆周方向观察，三个扇形段的中心因此在60°、180°和300°处。

为了简便起见，假设每个辐射器-检测器元件只具有两个电子发射器，其中由一个发射器发出的电子束可以以三种不同类型对准相关的阳极系统：

所述电子束要么以居中的定向，要么顺时针方向偏转地，要么逆时针方向偏转地对准阳极，其中偏转的方向指示参照辐射器-检测器环的圆周方向。

第一辐射器-检测器元件内的可能的焦点位置之间的均等距离例如用下列焦点位置给出：20°、36°、52°、68°、84°、100°。在这种情况下，前三个值配置给第一电子发射器，并且值68°、84°、100°配置给第二电子发射器。电子束的居中定向对应于焦点位置36°(第一电子发射器)或者84°(第二电子发射器)。在已经讨论的、从很少数量的电子发射器出发的数例中，电子束与相应居中的定向相比可以偏转成，使得产生焦点位置，这些焦点位置相对在电子束居中定向的情况中产生的那个焦点位置偏移±16°。因此，在一个位于第一辐射器-检测器元件内的焦点位置与同一个辐射器-检测器元件内的下一个可能的焦点位置之间始终具有16°的角度距离。

以类似的方式，在第二辐射器-检测器元件内可以选择140°、156°、172°、188°、204°、220°的焦点位置，并且在第三辐射器-检测器元件内可以选择260°、276°、292°、308°、324°、340°的焦点位置。第一辐射器-检测器元件是辐射器-检测器环的需打开的扇形段。第二辐射器-检测器元件与第三辐射器-检测器元件牢固连接。尽管辐射器-检测器元件在其机械功能方面彼此不同，然而全部辐射器-检测器元件在其X射线技术的功能方面都构成为相同的，特别是在X射线源的布置(即阳极上的焦点)以及X射线检测器的布置方面。因此，在进行和分析评估计算机断层扫描检查、即X射线检查过程中，无需考虑一个辐射器-检测器元件能够以何种程度相对于其余的辐射器-检测器元件调节。

为了确保所述辐射器-检测器元件之一的所期望的可调节性，同时将所有辐射器-检测器元件在其X射线技术功能方面构成为相同的，每个辐射器-检测器元件内的可使用的120°的结构空间只有部分可以被相应的阳极系统使用。因此，在一个辐射器-检测器元件的最外侧的可能的焦点位置与下一个辐射器-检测器元件的与其相距最小的焦点位置之间有一个角度距离，该角度距离比同一个辐射器-检测器元件内的焦点位置之间的角度距离大得多。在当前的情况中，在不同的辐射器-检测器元件的焦点位置之间具有以下跨元件的最小角度距离：在第一与第三元件(20°或者340°)之间具有一个40°的角度距离，在第一与第二元件(100°或者140°)之间以及在第二与第三元件(220°或者260°)之间分别同样具有一个40°的角度距离。

若现在沿顺时针方向(或者也沿逆时针方向)依次设定所有可能的焦点位置(这模拟一个X射线源围绕计算机断层扫描仪的纵轴线机械式旋转)，那么在五个分别为16°的角度变化之后总是出现一个40°的角度变化，接着又是五个16°的跳跃。

可以通过以下方式弥补角度跳跃的这个不均匀性，即使用一个新模式，根据该模式依次设定不同的焦点位置：

以一个焦点的沿顺时针方向的第一可能位置、即20°位置为起点，开始六个虚拟的循环，其中在简化的示例中在每个循环(每转动一圈)中依次选择仅仅三个焦点位置，这些焦点位置相互平均偏移120°。详细地说，焦点位置的可能的排列顺序如下：20°，140°，276°，52°，172°，308°，84°，204°，340°，100°，220°，324°，68°，188°，292°，36°，156°，260°，从而在六个虚拟的循环之后，总共18个可能的焦点位置中的每一个都被正好选择了一次。在这种情况下，从平均120°角度距离出发，向上或者向下的偏差不超过16°，其中具有八次120°的角度距离和各五次136°或者104°的角度距离，并且值104°绝不紧随在值136°之后(反之亦然)。这也适用于再次开始六个虚拟的循环，就是说，适用于从260°位置到20°位置的切换，这对应于一个正好120°的角度差。

因此，在所观察的、简化的示例中，作为角度差只出现三个不同的值，即值104°、120°、136°，其中两个依次相继的角度差之间的差值(即数值0°或者16°)小于两个辐射器-检测器元件的彼此最接近的焦点之间的角度距离。在当前的情况中，所述差值甚至小于上述在扇形段边缘上延伸的40°的角度距离的一半。如果从这个跨扇形段的角度距离中减去在扇形段内在所阐述的示例中统一的为16°的角度距离的话，就得出24°的差，该差总是依然大于在时间上依次相继的角度差之间出现的最大差值。尽管由辐射器-检测器环的分段及其打开机构导致焦点在辐射器-检测器环的圆周上的分布不均匀，但以此依然能够利用形式上为分别由一个焦点发出的扇形射线束的X射线，以比较均匀的(模拟X射线源旋转的)角度跳跃的方式对检查对象进行透射。

每个焦点位于一个阳极系统上，该阳极系统可以对于每个X射线管包括唯一一个或者多个液冷的或者非冷却的阳极。例如，使用在DE10 2017 008 810A1中说明的阳极。与阳极的设计无关，计算机断层扫描仪可以设计成用于通过辐射器-检测器元件同时产生两个或者更多在辐射器-检测器环的圆周上相互偏移的焦点。在正好两个焦点和相应两个X射线束(利用它们检查感兴趣的体积)的情况中，也可以说是X射线成像的立体战术。

关于用作计算机断层扫描仪的电子发射器的阴极的设计，例如可以选择在WO2019/057338 A1(该文献要求上述专利申请DE 10 2017008 810A1的优先权)中选择的可能性。

例如在WO 2019/042587 A2中说明了操控的可能性，该可能性也可应用于当前的情况。在设计成用于发射电子的阴极的制作过程中，例如可以利用在文献WO 2018/086737A1和WO 2018/141485 A1中述及的所有解决方案。

总的来说，计算机断层扫描仪的X射线管可以设计成用于产生一系列的X射线脉冲，这些X射线脉冲在各种不同的参数方面彼此不同，尤其是在各个脉冲的持续时间、强度和X射线剂量以及X射线的频率方面。为了这个目的，尤其可以规定改变在阳极上存在的电压以及改变由阴极发出的电子通量。这些涉及X射线源的改变可能性特别是与对光子进行计数的检测器结合而充分发挥其优势，所述检测器适合于区分各种不同的X射线频率、即本来就适合多能量运行模式和多剂量运行模式。

所述计算机断层扫描仪可以是一个移动的或者固定的X射线技术的仪器。所述计算机断层扫描仪尤其是适合于胸部区域的检查。

附图说明

下面参照附图详细阐述本发明的实施例。附图示出：

图1是计算机断层扫描仪的概览图；

图2是计算机断层扫描仪的类似图1的示图，辐射器-检测器环已打开；

图3和4是计算机断层扫描仪细节的多个不同的放大图；

图5至7是计算机断层扫描仪的X射线管；

图8是计算机断层扫描仪的由X射线管和相关的检测器构成的辐射器-检测器元件；

图9和10是计算机断层扫描仪细节的示意图。

具体实施方式

总体上标注有附图标记1的计算机断层扫描仪包括一个固定的扫描架2，其中术语“固定的”是指在获取X光片时辐射器-检测器-单元不围绕扫描架2的中轴线MA旋转。更确切地说，借助于环绕扫描架2的整个圆周分布的X射线管3和相关的X射线检测器4可以生成X射线RS的扇形束，该X射线分别从X射线管3的阳极6上的一个焦点BF发出。各个X射线管3可以分别配有多个阴极5、25作为电子发射器。在概略示出的实施例中，每个X射线管3都具有一个唯一的细长阳极6，该阳极在这个情况中同时作为阳极系统9。作为备选方案，X射线管3的阳极系统9可以由多个阳极6构成。

所述扫描架2以可多种调节的方式安装在一个可移动的台架7上。此外，所述扫描架2可以围绕一个与中轴线MA垂直相交的水平翻转轴线翻转。所述扫描架2同样可以沿水平设置的中轴线MA的纵向方向移动。另外，所述扫描架2也可以沿其圆周方向有限地调节。也可以使整个扫描架2上升或者下降。在本实施例中，除了可移动的台架7之外，还有一个单独的操作和分析评估单元8。同样也可以考虑将可移动的台架7与操作和分析评估单元8在结构上整合在一起。

未设置将扫描架2围住的壳体。更确切地说，整个扫描架2构成为辐射器-检测器环10，其由总共五个辐射器-检测器元件11、12、13、14、26构成。在这种情况下，所述辐射器-检测器元件11、12、13、14是固定的、相互刚性连接的元件，而辐射器-元件26则是可移动的，用以打开所述辐射器-检测器环10。打开的目的是为了利用所述辐射器-检测器环10将一个患者诊床15围住。打开机构构成为滑动机构16。如在图1中示出的那样，以封闭的辐射器-检测器环10为起始点，首先使辐射器-检测器元件26沿中轴线MA的纵向稍微移动，就是说，从辐射器-检测器环10中推出。在辐射器-检测器元件26位于其余的辐射器-检测器元件11、12、13、14的C形布置机构的旁边的状态中，该辐射器-检测器元件26可以沿C形布置机构11、12、13、14的圆周方向移动，从而将辐射器-检测器环10的圆周上的开口部打开，如在图2中示出的那样。辐射器-检测器元件26在任何时候都不相对于其余的辐射器-检测器元件11、12、13、14发生倾斜。由于没有了涉及辐射器-检测器元件26的倾斜机构，在辐射器-检测器环10的圆周上延伸72°角度的可用结构空间能够尽可能地用于安装X射线技术组件，下面还将对这些组件进行详细说明。

在X射线技术组件的布置方面，可移动的辐射器-检测器元件26与固定的辐射器-检测器元件11、12、13、14没有什么不同。每个辐射器-检测器元件11、12、13、14、26都有一个同样的、在图5至8中示出的结构。X射线管3的连接件标注了17。X射线管3的辐射器系统18按下述方式发射X射线RS，即(如在图4中图示出的那样)五个辐射器-检测器元件11、12、13、14、26中始终有两个辐射器-检测器元件、更确切地说其检测器4被辐射到。由于辐射器-检测器元件11、12、13、14、26的数量是奇数，所以两个辐射器-检测器元件11、12、13、14、26之间的一个对接处绝不与第二个这样的对接处在直径上精确对置。

每个X射线管3中都有一个发射器组件19，以产生射到阳极系统9上且因此产生焦点BF的电子束ES。所述焦点BF不是必然具有接近点状的形状。而是以原则上已知的方式，例如也可以产生细长的焦点，其中该焦点BF的位置在任何情况下都应理解为是它的中点的位置。

在本实施例中，所述发射器组件19包括不同的阴极5、25，以产生不同剂量和/或波长的X射线。电子总是借助于一个提取格栅20被从阴极5、25中提取出来，其中电子束ES可以借助于一个包括多个电极22、23的电极系统21以确定的方式偏转。多个阴极5、25共同设置在一块电路板24上。

与X射线管3的发射器组件19共同作用的整个阳极系统9在辐射器-检测器环10的圆周上在一个明显小于72°的角度α上延伸。一个表示X射线检测器4在辐射器-检测器环的圆周上的延伸的角度β明显更加接近72°。换言之，在辐射器-检测器环10的圆周上，在各个X射线检测器4之间形成的空隙比辐射系统18之间形成的空隙窄小得多。多个可能的焦点位置在X射线管3内在一个小于角度α的角度γ上延伸。

所述电极系统21设计成用于使电子束ES选择性地对准焦点BF或者一个与该焦点相比沿辐射器-检测器环10的圆周方向偏移的焦点BF

附图标记列表

1 计算机断层扫描仪

2 扫描架

3 X射线管

4 X射线检测器

5 第一类型阴极，电子发射器

6 阳极

7 可移动的台架

8 操作和分析评估单元

9 阳极系统

10 辐射器-检测器环

11 第一固定的辐射器-检测器元件

12 第二固定的辐射器-检测器元件

13 第三固定的辐射器-检测器元件

14 第四固定的辐射器-检测器元件

15 患者诊床

16 滑动机构

17 连接件

18 辐射器系统

19 发射器组件

20 提取格栅

21 电极系统

22 电极

23 电极

24 电路板

25 第二类型阴极，电子发射器

26 可移动的辐射器-检测器元件

α 角度，辐射器-检测器元件的阳极系统在该角度上延伸

β 角度，辐射器-检测器元件的检测器在该角度上延伸

γ 角度范围，阳极系统的可能的焦点位于该角度范围内

BF焦点(一般)

BF+,BF-焦点，其通过一个电子发射器(在中间位置中以及在两

个沿辐射器-检测器环的圆周方向偏移的位置中)产生

ES电子束

MA中轴线

RS X射线